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DIN 4113-1 - Konstruktion und Ausführung
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Aluminiumkonstruktionen unter vorwiegend ruhender Belastung
Stand 05/1980
(By MABl 1987 S. 597)
Veröffentlichung: By MABl 1987 S. 597
Aluminium constructions under predominantly static loading; static analysis and structural design
Teilweise Ersatz für DIN 4113
Diese Norm wurde im Fachbereich "Stahlbau" des NABau ausgearbeitet. Sie ist den obersten Bauaufsichtsbehörden vom Institut für Bautechnik, Berlin, zur bauaufsichtlichen Einführung empfohlen worden.
DIN 4113 ist gegliedert in:
| Teil 1 | Aluminiumkonstruktionen unter vorwiegend ruhender Belastung; Berechnung und bauliche Durchbildung |
| Teil 2 | Aluminiumkonstruktionen unter vorwiegend ruhender Belastung; geschweißte Konstruktionen; Berechnung und bauliche Durchbildung |
Allgemeines
Entwurf, Bemessung und Ausführung von tragenden Bauteilen aus Aluminium erfordern eine gründliche Kenntnis dieser Bauart. Daher dürfen nur solche Betriebe damit betraut werden, deren entwerfende und ausführende Ingenieure und Fachkräfte sowie Werkseinrichtungen Gewähr für eine einwandfreie Bemessung und Ausführung bieten. Eine Wärmebehandlung, z.B. zum Verformen und Vergüten tragender Aluminiumbauteile, darf nur im Halbzeugwerk oder nach Anleitung des Fachpersonals ausgeführt werden; die Verantwortung des Herstellers bleibt davon jedoch unberührt.
Schweißungen an Aluminiumkonstruktionen dürfen nur von solchen Betrieben durchgeführt werden, die den Nachweis erbracht haben, dass eine anerkannte Stelle ihre Werkseinrichtung und ihr Fachpersonal überprüft hat (siehe auch DIN 4113 Teil 2).
1 Geltungsbereich und Mitgeltende Normen und Unterlagen
1.1 Geltungsbereich
Die Bestimmungen dieser Norm gelten für alle tragenden Bauteile aus Aluminiumlegierungen für Konstruktionen mit vorwiegend ruhender Belastung (siehe DIN 1055 Teil 3, Ausgabe Juni 1971, Abschnitt 1.4).
1.2 Mitgeltende Normen und Unterlagen
| DIN 267 Teil 3 | Schrauben, Muttern und ähnliche Gewinde- und Formteile; Technische Lieferbedingungen, Festigkeitsklassen und Prüfverfahren für Schrauben aus unlegierten oder niedriglegierten Stählen |
| DIN 267 Teil 11 | Mechanische Verbindungselemente; Technische Lieferbedingungen, Teile aus nichtrostenden Stählen |
| DIN 1050 | Stahl im Hochbau; Berechnung und bauliche Durchbildung |
| DIN 4114 Teil 1 | Stahlbau; Stabilitätsfälle (Knickung, Kippung, Beulung); Berechnungsgrundlagen, Vorschriften |
| DIN 4114 Teil 2 | Stahlbau; Stabilitätsfälle (Knickung, Kippung, Beulung); Berechnungsgrundlagen, Richtlinien |
| DASt-Ri 001 | Richtlinien für Verbindungen mit Schließringbolzen im Anwendungsbereich des Stahlhochbaues mit vorwiegend ruhender Belastung (Ausgabe Februar 1970) 1) |
| DASt-Ri 010 | Richtlinien für die Anwendung hochfester Schrauben im Stahlbau (Ausgabe Juni 1976) 1) |
2 Bauvorlagen
Bauvorlagen sind die wesentlichen Konstruktionszeichnungen und die Standsicherheitsnachweise. In den Konstruktionszeichnungen muß das Tragwerk im Ganzen, in seinen Teilen und seinen Verbindungen (das sind Stöße und Anschlüsse) dargestellt werden. Ferner müssen die für die Prüfung des Standsicherheitsnachweises erforderlichen Maße eingetragen sein. Andere Bauteile (Decken und Dachplatten, Wandscheiben u.a.), soweit sie zur Tragwirkung herangezogen werden, müssen ebenfalls in den Unterlagen dargestellt sein. Außerdem müssen angegeben werden: Maßstäbe, Baustoffe, Verbindungsmittel, Hinweise auf zugehörige Zeichnungen und sonstige Baubelege; auch Belastungspläne und Fundamentpläne sowie Vermerke über änderungen sind erforderlichenfalls mitzuliefern. Die Standsicherheitsnachweise (Lastannahmen, Festigkeits-, Stabilitäts- und sonstige Nachweise) sind für alle tragenden Bauteile übersichtlich und leicht prüfbar zu erbringen. Eine Beschreibung der Gesamtkonstruktion und ihres tragenden Systems ist beizufügen, wobei die Berechnungsannahmen und die Berechnungsverfahren aufzuführen sind.
Tabelle 1. Legierungen für Konstruktionsteile, Festigkeiten in N/mm2 1)
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||||||||||
| Legierung nach DIN 1725 Teil 1 | Mindestzugfestigkeit Mindeststreckgrenze für Bleche nach DIN 1745 Teil 1 | Mindestzugfestigkeit Mindeststreckgrenze für Rohre nach DIN 1746 Teil 1 | Mindestzugfestigkeit Mindeststreckgrenze für Profile nach DIN 1748 Teil 1 | Bemerkungen | ||||||||||
| Zustand | βZ | β0,2 2) | Dicke mm | Zustand | βZ | β0,2 2) | Wanddicke mm | Zustand | βZ | β0,2 2) | Dicke mm | |||
| 1 | AlZn4, 5Mg1 | F 35 | 350 | 275 | bis 15 | F 35 | 350 | 290 | bis 20 | F 35 | 350 | 290 | 3 bis 30 | |
| F 34 | 340 | 270 | 15 bis 60 | |||||||||||
| 2 | AlMgSi1 | F 32 | 315 | 255 | bis 10 | F 31 | 310 | 260 | bis 20 | F 31 | 310 | 260 | bis 20 | Halbzeug aus aushärtbaren Legierungen im Zustand warmausgehärtet |
| F 30 | 295 | 245 | 10 bis 20 | |||||||||||
| F 30 | 295 | 240 | 20 bis 100 | |||||||||||
| 3 | AlMgSi1 | F 28 | 275 | 200 | bis 20 | F 28 | 275 | 200 | jede | F 28 | 275 | 200 | bis 10 | |
| 4 | AlMgSi0,5 | - | - | - | - | F 22 | 215 | 160 | jede | F 22 | 215 | 160 | jede | |
| 5 | AlMg4.5Mn | G 31 | 310 | 205 | 2 bis 40 | - | - | - | - | - | Bleche verfestigt G 31 = rückgeglüht | |||
| 6 | AlMg4,5Mn | W 28 | 275 | 125 | bis 50 | F 27 | 270 | 140 | ≥ 3,5 | F 27 | 270 | 140 | jede | Bleche weich bzw. warmgewalzt Rohre und Profile gepreßt |
| F 27 | 275 | 125 | 2 bis 30 | |||||||||||
| 7 | AlMg2MnO,8
AlMg3 | F 24 | 240 | 190 | bis 5 | F 25 | 250 | 180 | bis 5 (bis Ø 80) | - | - | - | - | Bleche und Rohre halbhart G 24 = rückgeglüht aus höher verfestigtem Zustand |
| G 24 | 240 | 160 | bis 5 | |||||||||||
| 8 | AlMg2MnO,8 | - | - | - | - | F 20 | 200 | 100 | ≥ 3 | F 20 | 200 | 100 | jede | Rohre und Profile gepresst |
| 9 | AlMg3 | - | - | - | - | F18 | 180 | 80 | ≥ 3 | F18 | 180 | 80 | jede | |
| 10 | AlMg2MnO,8
AlMg3 | F 19 | 190 | 80 | 25 bis 50 | W 18 | 180 | 80 | bis 10 | - | - | _ | _ | Bleche warmgewalzt bzw. weich
Rohre weich |
| W 19 | 190 | 80 | bis 25 | |||||||||||
| 1) | Für Kraftgrößen wird nach DIN 1301 Teil 1 die Einheit kN (Kilonewton) 1 kN = 103 N verwendet (1 kN =1/9,80665 Mp) und 1 kN λ 0,1 Mp bzw. 1 kN/m2 λ 0,01 kp/cm2. |
| 2) | Die Festigkeitskennwerte gelten jeweils für die Bereiche der in Teil 1 von DIN 1745 bis DIN 1749 angegebenen Grenzdicken, bei sonstigen Dicken müssen gewährleistete β0,2-Werte mit dem Lieferwerk vereinbart und durch ein Abnahmeprüfzeugnis DIN 50049- 3,1 B nachgewiesen werden. |
3 Werkstoffe
3.1 Konstruktionsteile
Als Werkstoffe für Konstruktionsteile dürfen nur solche Aluminiumlegierungen verwendet werden, deren Eigenschaften in ausreichendem Umfang bekannt sind und deren Brauchbarkeit erwiesen ist.
3.1.1 Die in Tabelle 1 aufgeführten Aluminiumlegierungen sind vorzugsweise zu verwenden, wobei als Nachweis ein Werkszeugnis DIN 50 049 - 2.2 genügt.
3.1.2 Aluminiumlegierungen nach DIN 1725 Teil 1 2) und DIN 1725 Teil 2 dürfen für die dort genannten Anwendungsbereiche verwendet werden, wenn ihre Brauchbarkeit für tragende Teile im Zusammenhang mit der vorgesehenen Konstruktion von einer hierfür anerkannten Stelle festgestellt worden ist. Hierbei ist auf der Grundlage der in DIN 1745 Teil 1, DIN 1746 Teil 1 und DIN 1748 Teil 1 gewährleisteten technologischen Eigenschaften festzulegen, welche Rechenwerte den Standsicherheitsnachweisen zugrunde gelegt werden können. Die zulässigen Spannungen für Druck und Zug dieser Werkstoffe betragen in der Regel
Die Werkstoffgüte ist mit dem Abnahmeprüfzeugnis DIN 50049 - 3.1 B nachzuweisen.
3.1.3 Bei allen anderen Aluminiumlegierungen ist der Nachweis der Brauchbarkeit, insbesondere durch eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung, zu führen.
3.2 Verbindungsmittel
3.2.1 Aluminiumniete und -schrauben
Für vollschäftige Verbindungsmittel aus Aluminium sind die in Tabelle 2 aufgeführten Werkstoffe zu verwenden.
3.2.2 Stahlniete und -schrauben
Für vollschäftige Verbindungsmittel aus Stahl sind die in DIN 1050 genannten Werkstoffe, für hochfeste Schrauben Werkstoffe der Festigkeitsklassen 8.8 und 10.9, für Schließringbolzen mindestens der Festigkeitsklasse 8.8 nach DIN 267 Teil 3 zu verwenden.
Hinsichtlich des Korrosionsschutzes ist Abschnitt 10 zu beachten.
Nichtrostende Stähle sind ebenfalls als Werkstoffe für Verbindungsmittel geeignet.
3.2.3 Andere Werkstoffe
Die Brauchbarkeit anderer Werkstoffe ist im Sinne der Abschnitte 3.1.2 und 3.1.3 nachzuweisen.
4 Lastannahmen
4.1 Einteilung der Lasten und Lastfälle
Die auf ein Tragwerk wirkenden Lasten werden eingeteilt in Hauptlasten (H) und Zusatzlasten (Z). Diese werden zu Lastfällen H und HZ nach DIN 1050, Ausgabe Juni 1968, Abschnitt 4.1, zusammengefasst.
Zusätzlich ist bei Aluminiumkonstruktionen wegen des Kriecheinflusses der Lastfall HS zu berücksichtigen. Er umfasst alle ständig wirkenden Hauptlasten, d.h. auch langzeitig einwirkende Verkehrslasten (Stapellasten), im Sinne von Abschnitt 6.3.
4.2 Maßgebender Lastfall
Für Spannungsnachweis und Bemessung sind für jeden Lastfall die zulässigen Spannungen bzw. die geforderten Sicherheiten einzuhalten.
5 Berechnungsgrundsätze
5.1 Berechnungsgrundlagen
Der Berechnung sind als Mindestzugfestigkeiten (βZ) und Mindeststreckgrenzen (β0,2) die Werte der Tabelle 1 zugrunde zu legen. Bei der Berechnung der statisch unbestimmten Größen und der Verformungen sind folgende Werkstoffkennwerte zu verwenden (siehe auch die Abschnitte 7.2 und 8 sowie DIN 4113 Teil 2).
Tabelle 2. Legierungen für Verbindungsmittel
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||
| Legierung (DIN 1725 Teil 1) | Zustand | Zustand | Durchmesser | Verwendung | Bemerkungen | |
| 1 | AlMgSi1 | F20 1) | kaltausgehärtet | bis 12 mm 1) |
Niete | für alle Werkstoffe nach Tabelle 1 |
| F 21 2) | bis 80 mm 2) | |||||
| F25 1) | kaltausgehärtet und gezogen | bis 10 mm 1) | ||||
| 2 | AlMg5 | W27 1) | weich | bis 15 mm 1) | ||
| F31 1) | gezogen | bis 15 mm 1) | ||||
| 3 | AlMgSi1 | F32 1) | warmausgehärtet | bis 6 mm 1) | Schrauben, Passschrauben und Muttern | |
| F 31 2) | bis 60 mm 2) | |||||
| 4 | AlCuMg1 | F42 1) | kaltausgehärtet und gezogen kaltausgehärtet | bis 10 mm 1) | für alle Werkstoffe nach Tabelle 1; hinsichtlich Oberflächenschutz der Verbindungsstelle, vgl. Abschnitt 10 | |
| F38 2) | bis 50 mm 2) | |||||
| 5 | AlZnMgCu0,5 | F46 1) 2) | warmausgehärtet | bis 8 mm 1) | ||
| bis 50 mm 2) | ||||||
| 1) | Drähte (DIN 1790 Teil 1) |
| 2) | Stangen (DIN 1747 Teil 1) |
| Elastizitätsmodul | E = | 70000 N/mm2 |
| Schubmodul | G = | 27000 N/mm2 |
| Querdehnungszahl | μ = | 0,3 |
| Wärmedehnzahl | αT | 2,3 * 10-5 mm/(mm K) |
5.2 Berechnungsverfahren
Das Berechnungsverfahren ist freigestellt, soweit es nicht den Festlegungen dieser Norm widerspricht. In der Regel wird die klassische Elastizitätstheorie zur Anwendung kommen. Ein Traglastverfahren kann nur unter besonderer Beachtung der Stabilität und unter Berücksichtigung der für jede Legierung speziellen σ-ε-Diagramme angewendet werden (für geschweißte Konstruktionen gilt DIN 4113 Teil 2).
5.3 Querschnittswerte und Lochabzug
Die maßgebenden Querschnittswerte beim allgemeinen Spannungsnachweis (siehe Abschnitt 5.4) sind aus der Tabelle 3 zu entnehmen.
Tabelle 3. Maßgebende Querschnittswerte
| Schnittgröße | Spannungsart | Maßgebende Querschnittswerte |
| Längskraft | Zug | A - Δ A |
| Druck | A | |
| Querkraft | Schub | ASteg |
| Biegemoment | Zug |  |
| Druck |  |
Als Lochabzug Δ A von der Querschnittsfläche A eines auf Zug beanspruchten Stabes sind die Fläächen aller in den ungünstigsten Rissverlauf fallenden Löcher einzusetzen. Als Lochabzug Δ I vom Trägheitsmoment I eines auf Biegung beanspruchten Stabes sind nur die ungünstigsten Löcher des gezogenen Gurtes anzusetzen. Der Lochabzug Δ I und die Randabstände ez und ed sind auf die Schwerachse des ungelochten Querschnitts zu beziehen.
Für die Berechnung von Verformungen (siehe auch Abschnitt 5.4.5) sind die Querschnittswerte ohne Lochabzug einzusetzen.
5.4 Bemessung
5.4.1 Übersicht der Nachweise
Soweit erforderlich, sind folgende Nachweise zu erbringen:
5.4.2 Allgemeiner Spannungsnachweis
Der allgemeine Spannungsnachweis ist mit den Querschnittswerten nach Abschnitt 5.3 zu führen.
5.4.3 Nachweis gegen Umkippen
Für die Sicherheit gegen Umkippen von Bauteilen sowie gegen Abheben von den Lagern, z.B. bei Durchlaufträgern, und für die Standsicherheit des ganzen Tragwerks gelten die Bestimmungen von DIN 1050.
5.4.4 Sonstige Nachweise
Die vom Aluminiumtragwerk auf andere Tragteile (z.B. Fundamente) übertragenen Auflager- und Schnittgrößen sind, getrennt für die einzelnen angreifenden Lasten, nach Größe, Richtung und Angriffspunkt, anzugeben.
Soweit andere Bauteile gleichzeitig für den Kraftfluss innerhalb des Aluminiumtragwerks mitbenutzt werden (z.B. Wände oder Decken als Ersatz für Verbände oder zur Sicherheit gegen Ausknicken), muss für diese ein Festigkeitsnachweis erbracht werden. Dies gilt auch für bauliche Zwischenzustände.
5.4.5 Formänderungen
Die größten Verformungen (insbesondere Durchbiegungen) sind rechnerisch nachzuweisen, wobei mit dem Elastizitätsmodul nach Abschnitt 5.1 zu rechnen ist. Der Zweck des Bauwerks kann eine Beschränkung der Formänderung aus konstruktiven Gründen (z.B. Wasserablauf bei Flachdächern, Rissebildung in massiven Bauwerksteilen, Einfluss auf Maschinen) erforderlich machen. Der Einfluss der Eigenlast darf durch Überhöhung ausgeglichen werden.
6 Zulässige Spannungen und Sicherheitszahlen
6.1 Konstruktionsteile
Für den allgemeinen Spannungsnachweis sind die zulässigen Spannungen der Tabelle 4 zu entnehmen. Diese Festigkeitsangaben gelten für tragende Konstruktionen bis zu einer maximalen Temperatur von 80°C. Im Steg vollwandiger Träger dürfen die Normal- und die Schubspannungen je für sich die zulässigen Werte nicht überschreiten. Außerdem darf beim allgemeinen Spannungsnachweis die Vergleichsspannung
folgende Werte nicht überschreiten:
0,75 β0,2 beim Lastfall H und
0,80 β0,2 beim Lastfall HZ.
Für die Schubspannung im Stegblech von Trägern mit oberen und unteren Flanschen darf dabei der mittlere Wert
eingesetzt werden. Gegebenenfalls ist zusätzlich gemäß Abschnitt 6.3 zu verfahren.
6.2 Verbindungsmittel
Die hier getroffenen Regelungen gelten nur für vollschäftige Verbindungsmittel, wobei bei Schrauben der Gewindeanteil des Schaftes nicht mehr als 20 % in die Lochleibungsfläche des äußeren Bleches hineinragen darf.
6.2.1 Verbindungsmittel aus Aluminium
Die zulässigen Scher- und Zugspannungen für Aluminiumniete, -schrauben und -passschrauben (nach Tabelle 2) sind der Tabelle 5 zu entnehmen. Der maßgebende Querschnitt bei Beanspruchung auf Abscheren ist der Schaftquerschnitt, bei Beanspruchung auf Zug der Spannungsquerschnitt gemäß DIN 267 Teil 3, Ausgabe November 1967, Abschnitt 6.2.
Als zulässige Lochleibungspressungen gelten die Werte der Tabelle 4, Spalten 6 bis 9.
Gegebenenfalls ist zusätzlich gemäß Abschnitt 6.3 zu verfahren.
6.2.2 Verbindungsmittel aus Stahl
Die zulässigen Scherspannungen für Niete und Schrauben sowie für hochfeste Schrauben und Schließringbolzen sind in der Tabelle 6 enthalten.
Als zulässige Lochleibungspressungen gelten ebenfalls die Werte der Tabelle 4, Spalten 6 bis 9; bei hochfesten Schrauben und Schließringbolzen mit halber oder voller Vorspannung gelten die erhöhten Werte der Tabelle 7.
Bei Beanspruchung der Verbindungsmittel auf Zug gelten die Werte aus DIN 1050. Bei voll vorgespannten hochfesten Schrauben und bei Schließringbolzen darf die rechnerisch zusätzliche Zugbelastung bis zu 70 % der Vorspannkraft betragen.
Als zulässige Lochleibungsdrücke sind dann die Werte der Tabelle 7, Spalten 2 bis 5, zugrunde zu legen.
Gegebenenfalls ist zusätzlich gemäß Abschnitt 6.3 zu verfahren.
6.2.3 Andere Verbindungsmittel
Die Brauchbarkeit von Sonderverfahren der Verbindungstechnik, z.B. unter Verwendung von gleitfesten Schraubenverbindungen (HV-Verbindungen) aus Stahl und Aluminium, von Schließringbolzen, Blindniete und von Klebstoffen, ist sinngemäß nach den Abschnitten 3.1.2 bzw. 3.1.3 nachzuweisen.
Tabelle 4. Zulässige Spannungen in N/mm2 für Beanspruchung der Bauteile bei verschiedenen Lastfällen
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | ||
| Werkstoffe und Werkstoffzustände nach Tabelle 1 | Zug und Druck | Schub | Lochleibung Schrauben, hochfeste Schrauben (ohne Vorspannung) mit einem Lochspiel von Δ d =1 mm | Lochleibung Niete, Passschrauben und hochfeste Passschrauben (ohne Vorspannung) mit Δ d d 0,3 mm | ||||||
| zul σ | zul τ | zul σL | zul σL | |||||||
| H | HZ | H | HZ | H | HZ | H | HZ | |||
| 1 | AlZn4,5Mg1 F35 1) (F34) | Bleche
Rohre Profile | 160 | 180 | 95 | 110 | 190 | 215 | 240 | 270 |
| 2 | AlMgSi1 F32/F31 2) (F30) | Bleche
Rohre Profile | 145 | 165 | 90 | 100 | 170 | 190 | 210 | 240 |
| 3 | AlMgSi1 F28 | Bleche
Rohre Profile | 115 | 130 | 70 | 80 | 130 | 145 | 160 | 180 |
| 4 | AlMgSi0,5 F22 | Rohre
Profile | 95 | 105 | 55 | 60 | 120 | 135 | 145 | 165 |
| 5 | AlMg4,5Mn G31 | Bleche | 120 | 135 | 70 | 80 | 155 | 175 | 190 | 215 |
| 6a | AlMg4,5Mn F27/W28 | Bleche | 70 | 80 | 45 | 50 | 90 | 100 | 115 | 130 |
| 6b | AlMg4,5Mn F27 | Rohre
Profile | 80 | 90 | 50 | 55 | 100 | 115 | 125 | 140 |
| 7 | AlMg2Mn0,8 F24, F25, G24
AlMg3 F24, F25, G24 | Bleche
Rohre | 95 | 105 | 55 | 60 | 120 | 135 | 145 | 165 |
| 8 | AlMg2Mn0,8 F20 | Rohre
Profile | 55 | 65 | 35 | 40 | 70 | 80 | 90 | 100 |
| 9 | AlMg3 F18 | Rohre
Profile | 45 | 50 | 30 | 35 | 65 | 75 | 80 | 90 |
| 10 | AlMg2Mn0,8 W18, W/F19
AlMg3 W18, W19, F19 | Bleche
Rohre | ||||||||
Hinweis: Im übrigen gelten die zulässigen Spannungen nur für die entsprechenden Dickenbereiche der Tabelle 1.
| 1) | Die Werte gelten bei Blechen bis 15 mm Dicke. Bei Blechen über 15 mm bis 60 mm ist ein Umrechnungsfaktor von c=0,97 zu berücksichtigen (AlZn4,5Mg1 F34). |
| 2) | Die Werte gelten bei Blechen bis 10 mm Dicke. Bei Blechen über 10 mm bis 100 mm Dicke ist ein Umrechnungsfaktor von c= 0,94 zu berücksichtigen (AlMgSi1 F30). |
Hinweis:Im übrigen gelten die zulässigen Spannungen nur für die entsprechenden Dickenbereiche der Tabelle 1.
 | weiter. | |